匹配EGR和二級增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)性能仿真

劉 凱，施 新

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

為滿足未來日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，國外對于達(dá)到歐Ⅳ以上標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)主要采用兩種技術(shù)路線降低NOx和PM 排放［1－2］：（1）通過優(yōu)化燃燒來降低 PM 排放，再使用選擇性催化還原技術(shù)（SCR）來降低NOx排放；（2）通過廢氣再循環(huán)（EGR）降低NOx排放，再用顆粒捕集器（DPF）捕集顆粒物。

采用EGR技術(shù)后NOx排放降低，但增加廢氣再循環(huán)率必將降低氣缸內(nèi)氧氣的濃度，從而使柴油機(jī)功率下降，油耗增加，為了保證氣缸內(nèi)足夠的氧氣濃度，必須采用更高的增壓壓力，普通的單級增壓難以達(dá)到相應(yīng)的壓力要求。本文應(yīng)用GT－POWER軟件，對匹配EGR和二級增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究不同EGR率和壓比分配對柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。

1 原機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

本文計(jì)算研究的對象是長春第一汽車廠CA6DL2柴油機(jī)，主要用于重型貨車和大型客車，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。仿真計(jì)算采用的是GT－Power軟件，原機(jī)計(jì)算模型由氣缸、進(jìn)氣管、排氣管、中冷器和帶有放氣閥的廢氣渦輪增壓器5個(gè)系統(tǒng)組成，由于軟件中沒有膜片式放氣閥的模型，所以高壓級放氣閥采用一個(gè)PID控制模型代替。選取外特性上800～2 100r／min的9個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，相對誤差最大不超過3%，該模型用來對柴油機(jī)進(jìn)行性能預(yù)測和分析是可行的。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 原機(jī)功率和燃油消耗率仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較

2 二級增壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 二級增壓系統(tǒng)方案

圖2為二級增壓系統(tǒng)方案圖，高低壓級增壓器采用串聯(lián)方式布置，渦輪端調(diào)節(jié)閥門采用高壓級放氣閥門的方案，調(diào)節(jié)閥門及執(zhí)行器都集成于高壓級渦輪端。廢氣旁通閥主要用于調(diào)節(jié)通過兩級渦輪的廢氣流量，調(diào)整高低壓級壓比，在高速大負(fù)荷工況降低高壓級渦輪功和進(jìn)氣壓比，以限制由于進(jìn)氣壓力過高，使柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能下降。由于空氣經(jīng)低壓級和高壓級壓氣機(jī)壓縮后溫度升高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度降低，所以方案中采用二級中冷技術(shù)，以降低增壓后的空氣溫度，提高進(jìn)氣量。采用EGR技術(shù)可降低氣缸內(nèi)燃燒溫度和氣缸內(nèi)氧氣濃度，能有效降低NOx排放。

圖2 二級增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖

2.2 二級增壓系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算

選定外特性1 400r／min作為增壓系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)點(diǎn)，根據(jù)原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和目標(biāo)EGR率，進(jìn)行增壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算。計(jì)算過程如下：

（1）根據(jù)式（1）計(jì)算進(jìn)氣密度

式中MC為進(jìn)氣流量；n為標(biāo)定點(diǎn)轉(zhuǎn)速；ηV為容積效率；φH為掃氣效率；VH為氣缸工作總?cè)莘e；EGR%為EGR率。

（2）根據(jù)進(jìn)氣溫度和中冷器壓降計(jì)算增壓壓力，確定總壓比。由理想氣體方程得高壓級中冷器出口壓力

式中TC為進(jìn)氣溫度。

高壓級壓氣機(jī)的出口壓力為：

式中△P為中冷器壓降。

總壓比為：

（3）根據(jù)壓比分配確定高低壓級壓比。對于壓比分配，當(dāng)兩級壓比均勻分配時(shí)，所耗壓縮功最少［3］，但是這種情況只有當(dāng)兩級壓氣機(jī)進(jìn)口溫度相同時(shí)才成立，這樣的條件實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)。本文采用兩種壓比分配方案：第1種方案采用的設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比分配比例為4：6，即高壓級壓比占總壓比40%，低壓級壓比占總壓比60%；第2種方案采用的壓比分配比列為6：4，即高壓級壓比占總壓比60%，低壓級壓比占總壓比40%。

（4）根據(jù)所確定的高低壓級壓比分配，計(jì)算高壓級壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)，計(jì)算出折合流量。

（5）為了更好的選配和設(shè)計(jì)高、低壓級增壓器，另選取800～2 100r／min 7個(gè)外特性點(diǎn)采取和設(shè)計(jì)點(diǎn)1 400 r／min相同的計(jì)算方法進(jìn)行增壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，第1和第2方案都選用JP85G型增壓器為低壓級增壓器，其壓氣機(jī)特性圖如圖3（a）所示，圖中還表示出了外特性運(yùn)行線。由圖可以看出，第1方案發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線穿過了壓氣機(jī)的高效區(qū)，能夠滿足低壓級的匹配要求，第2方案由于低壓級設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比較低，因此需要重新設(shè)計(jì)渦輪箱來滿足匹配要求。第1方案高壓級增壓器是在JP68B增壓器基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，圖3（b）為新設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)特性圖，由圖可以看出，由于設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比較低，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線落在低效區(qū)，因此也需要重新設(shè)計(jì)渦輪箱來滿足匹配要求。第2方案高壓級增壓器選用JP68B型增壓器，如圖3（c）所示，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線穿過了壓氣機(jī)的高效區(qū)，能夠滿足匹配要求。對于渦輪箱的設(shè)計(jì)，在渦輪葉輪尺寸一定時(shí)，渦輪箱O－O截面A／R值的大小決定了渦輪流量特性，通過不同O－O截面的渦輪箱與同一葉輪相配，得到不同渦輪流量特性，以實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)不同匹配要求［4］。

3 匹配二級增壓柴油機(jī)不同壓比分配性能仿真

3.1 放氣閥和EGR閥門關(guān)閉

在原機(jī)模型基礎(chǔ)上增加二級增壓系統(tǒng)模塊、EGR模塊和中冷器模塊構(gòu)成新的計(jì)算模型，通過輸入高壓級和低壓級壓氣機(jī)和渦輪性能曲線，進(jìn)行匹配二級增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的外特性循環(huán)模擬計(jì)算。將原機(jī)的PID高壓級控制閥換為可以精確控制的可控閥門，通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)廢氣流量和EGR流量的大小。流量系數(shù)采用近似蝶閥的流量系數(shù)，開度為0時(shí)，表示閥門全關(guān)，流量系數(shù)為零；開度為90°時(shí)，表示閥門全開，流量系數(shù)為1。選取外特性上800～2 100r／min的8個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真，首先將高壓級放氣閥門和EGR閥門都關(guān)閉，計(jì)算時(shí)保持各工況點(diǎn)循環(huán)噴油量和原機(jī)相同。圖4為第1方案和第2方案的進(jìn)氣壓力和排氣壓力隨不同轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖可以看出，兩種方案在800～1 200r／min時(shí)，進(jìn)氣壓力和排氣壓力差值很小，在不附加任何外部設(shè)備的條件下不能實(shí)現(xiàn)EGR；在1 400～2 100r／min時(shí)隨著進(jìn)氣壓力和排氣壓力的差值越來越大，可實(shí)現(xiàn)的EGR率也越大。對于進(jìn)氣壓力在1 200～1 600r／min時(shí)第1方案高于第2方案，所以通過調(diào)節(jié)高壓級放氣閥在調(diào)節(jié)到相同的進(jìn)氣壓力情況下，第1方案高壓級放氣閥門開度要大于第2方案。

由圖4可知，由于在1 200～1 600r／min時(shí)第1方案進(jìn)氣壓力高于第2方案，所以在調(diào)節(jié)到相同的進(jìn)氣壓力情況下，第1方案高壓級放氣閥開度要大于第2方案。排氣壓力隨著高壓級放氣閥開度增大而降低，開度越大，進(jìn)排氣壓差就越小。較小的進(jìn)排氣壓差導(dǎo)致第1方案在1 200～2 000r／min時(shí)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)EGR率，而第2方案在1 600～2 100r／min時(shí)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)EGR率。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在高低壓級壓氣機(jī)特性圖上的位置

圖4 進(jìn)氣壓力和排氣壓力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

3.2 優(yōu)化EGR閥門開度和高壓放氣閥開度

為了比較采用兩種不同壓比分配方案的二級增壓系統(tǒng)對柴油機(jī)性能的影響，仿真計(jì)算時(shí)，分別調(diào)節(jié)第1方案和第2方案高壓放氣閥和EGR閥開度，使第1方案和第2方案在各工況點(diǎn)的進(jìn)氣壓力大致相同，且EGR率調(diào)節(jié)為初始目標(biāo)值21%左右。計(jì)算時(shí)采用和原機(jī)相同的循環(huán)噴油量。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。EGR率仿真結(jié)果如表2所示。

表2 第1方案和第2方案各工況點(diǎn)EGR率

如圖5所示，經(jīng)過調(diào)節(jié)后，第1方案和第2方案的進(jìn)氣壓力大致相同且較原機(jī)單級增壓大幅提高，進(jìn)氣壓力的提高使進(jìn)氣密度增大，保證了氣缸內(nèi)足夠的氧氣濃度。由于采用和原機(jī)相同的循環(huán)噴油量，第1方案和第2方案的功率基本和原機(jī)持平，而燃油消耗率較原機(jī)略有下降。采用EGR后，氮氧化物排放較原機(jī)下降明顯，在1 400～2 100r／min時(shí)第2方案明顯優(yōu)于第1方案，并隨著轉(zhuǎn)速的升高呈降低的趨勢。在設(shè)計(jì)點(diǎn)1 400 r／min時(shí)，第2方案氮氧化物排放較原機(jī)下降達(dá)69%，在額定功率點(diǎn)下降達(dá)91%。

圖5 第1方案、第2方案和原機(jī)功率、燃油消耗率、氮氧化物排放和進(jìn)氣壓力對比

對于高壓閥調(diào)節(jié)，隨著放氣閥角度的增大，高壓級壓比開始下降，低壓級壓比繼續(xù)增大，兩級總壓比略有增大后基本維持不變。高、低壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配如圖6所示。從圖中可以看出，第1方案低壓級與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好，基本穿過壓氣機(jī)高效區(qū)并離喘振線有一定的喘振裕度，而高壓級經(jīng)過放氣后壓比有所下降，效率降低。第2方案采用高低比為6∶4的分配方案，由于放氣閥開啟開度比較小，所以高壓級基本工作在高效區(qū)，而低壓級由于壓比較低，工作效率只有65%左右。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)和高低壓級壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的特性曲線

4 結(jié)論

（1）采用EGR的二級增壓系統(tǒng)較原機(jī)單級增壓氮氧化物排放顯著降低。

（2）在相同的進(jìn)氣壓力條件下，二級增壓系統(tǒng)采用低高比為4∶6的壓比分配方案較低：高低比為6∶4的壓比分配方案在發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃油消耗率基本相當(dāng)?shù)那闆r下，能實(shí)現(xiàn)更大的EGR率，顯著提高了柴油機(jī)的排放特性。

［1］Shizuo Sasaki，Jayant Sarlashkar，Gary D.Neely.Investigation of Alternative Combustion，Airflow－Dominant Control and Aftertreatment System for Clean Diesel Vehicles［C］.SAE Paper 2007－01－1937.

［2］Leet J A，et al.Solutions for 2007and 2010heavy－duty diesel engines［C］.SAE Paper 2004－01－0124.

［3］何義團(tuán)，馬朝臣，魏名山，等.二級增壓系統(tǒng)壓比分配試驗(yàn)研究［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2007（2）：1－3.

［4］施 新，張 銳.一種增壓器渦輪箱 截面計(jì)算方法［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（2）：21－23.